形状记忆合金在机械工程中应用

探析形状记忆合金在机械工程中的应用

【摘要】：形状记忆合金属于一种特殊的材料，具备许多独特的性能，且成本低廉，被广泛应用于各种行业中。近年来，世界各国都加大了对形状记忆合金的研究力度，相信随着科技的发展，这种高性能材料的发展空间会更加广阔。

【关键词】：形状记忆合金；类型；机械工程；应用

中图分类号：tg139+.6 文献标识码：a 文章编号：

形状记忆合金具备许多优良的性能，如形状记忆特性、超弹性、耐腐蚀性、及防振性等等，被广泛应用于电子、电器、汽车、机械、能源、宇航、建筑、医疗等领域，但所利用的特性基本上都是记忆合金的形状记忆效应，其他特性的应用很少。自上世纪90年代至今，记忆合金在各行各业中均得到了长足的发展，在结构振动控制、结构损伤监控与修复、结构自适应变形、智能机械及机器人方面取得了显著的成果。

一、形状记忆合金的类型

就目前形状记忆合金的研究来看，已投入使用的基本是分为三类：镍-钛系、铜系和铁系或不锈钢系三大类。

1、镍—钛系形状记忆合金

镍—钛系合金是形状记忆合金材料中性能最优越而且用途最广

的一种。镍—钛系合金的延展性、形状记忆强度、应变、耐蚀性、电阻及稳定性均较好，但其成本较高。这类合金的形状记忆行为有单向和双向两种，其呈现记忆行为的温度范围可借助合金的改良而

加大或缩小。

2、铜系形状记忆合金

铜系形状记忆合金比镍—钛记忆合金更便宜且容易加工成型，因此颇具发展潜力。但铜系形状记忆合金的强度不如镍—钛记忆合金，反复受热的形状记忆能力也衰减较快。为了提高铜系记忆合金的机械性能，可添加微量的钛、锰、锆。铜系形状记忆合金中性能最好、应用最广的是铜—锌—铝合金。

3、铁系形状记忆合金

铁系形状记忆合金成本低廉，原料丰富，更具有竞争力。已经开发的铁系形状记忆合金有铁—锰合金、铁—铂合金以及不锈钢系形状记忆合金等。通过在铁—锰合金中添加硅，可获得具有良好形状记忆效应的铁—锰—硅合金。铁—锰—硅合金的强度高，但耐腐蚀性较差。而在这种合金中添加铬，则可大大提高耐腐蚀性。铁系形状记忆合金目前已在制作管接头、铆钉之类连接件以及夹具等方面获得广泛应用，不仅便于人们安装和操作，而且安全可靠，是很有发展前途的功能材料。

二、形状记忆合金在机械工程中的应用

形状记忆合金由于具有许多优异的性能因而广泛用于自动控制装置、机器人、汽车工业、能源开发、医疗卫生以及日用消费品等领域。

1、用于汽车、机器人及能源开发等自动控制

形状记忆合金具有温度传感器的功能，同时其外形恢复时作功，

又有执行元件的功能，因此应用于温度传感器及执行元件上，其自动控制非常灵敏。形状记忆合金使用最多的是制动器。目前，在汽车工业上使用的形状记忆制动器已达一百多种，主要用于控制引擎、传送、悬吊等，以提高安全性、可靠性及舒适性。形状记忆合金在汽车手动传动系统的防噪装置以及发动机燃料气体控制装置上也得到应用。

形状记忆合金的记忆效应和超弹性效应可应用于位移感测器以及工业用机器人制动器上。形状记忆合金制动器在机器人上的应用已获得可喜成果。形状记忆合金有感温和驱动双重功能可通过改变环境温度或通直流脉冲电流加热实现动作其结构简单紧凑、无噪音、成本低且不受温度以外的环境或气氛影响可替代多种驱动装置。利用形状记忆合金弹簧与其合金丝可装配成小型机器人，控制合金的收缩可操纵机器人手指的张开、闭合以及屈伸等动作。合金元件靠直接通入脉冲变频电流控制机器人的位置、动作及动作速度。因形状回复力受控于电流大小，故动作起来很像生物体的肌肉动作。

此外，能源开发是形状记忆合金另一重要的应用领域。利用形状记忆合金在加热和冷却时的形状变化的性能，能够把低品位热能，如热排水、地热、太阳能等直接转化为机械能而加以利用。根据这一原理已研制成功多种热机，加速了热机的小型化和轻便化。

2、用于家用电器

形状记忆合金还广泛应用于食品加热器、空调器及电饭锅等家用

电器中。日本夏普公司使用形状记忆合金元件控制食品加热器的微波加热和对流加热的转换，使食品加热器的体积和重量都大大减小，成本降低2/3。又如，日本松下电器公司用形状记忆合金制造的两用空调机风向转换装置，其风门换向动作十分灵敏：当风温在32 ～ 37℃时向下吹；风温降到25 ～ 32℃时自动改为水平方向吹。这种装置性能稳定、轻便、造价低，风门启动无噪音，深受用户欢迎。形状记忆合金还广泛用于制作电饭锅恒温器，温度升高时会自动开启，断开电路；温度下降到一定程度又会接下电源而起到自动保温作用。

3、形状记忆合金在医疗器械上的应用

用镍—钛形状记忆合金制作的血管疾病医疗器具有很多优点。如，用形状记忆合金制作的血管栓塞清除刀，在低温下加工，使其呈卷筒状，插入患者血管后，待温度升到体温时因形状记忆效应刀刃自动平展，通过转动即可清除血管栓塞或沉积物。医学专家还用形状记忆合金丝与银丝结合做成夹具，成功地进行脑动脉瘤的切除手术。

4、形状记忆合金在军用机械方面的应用。

形状记忆合金应用最广泛而且最成功的领域就是利用其单向记忆效应在不能完全恢复其原状的条件下所产生的应力固紧所欲连接的零件。这种合金套管要在低温下变形而且贮存及运输也要在低温下进行这对工艺的执行是很不方便的。为此目前已研制出温度滞后区宽的记忆合金。它在低温下变形后可在室温下贮存、运输。紧

固过程在10~150℃进行。紧固之后合金便处于高强度(奥氏体)状态即使冷至-65℃也木会改变。

这种ni-ti合金制的轴套及连接件在美国广泛地用之于航天、航空、潜艇等军事工业方面主要用于液压系统管道的连接。其特点是紧固力大比焊接等施工容易而且可靠性高。自1971年以来已有1000000个管接头用于飞机等上无一损坏。目前已将此项技术用于海底油、气管道的连接管道直径达60~150mm。

用来探索宇宙奥秘的月球天线，人们利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线，再在低温下把它压缩成一个小球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球，太阳的强烈的辐射使它恢复原来的形状，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。

5、形状记忆合金在发动机上的应用。

应用于低温固休发动机。sma发动机正处于模型机阶段已出现3种类型。在此介绍日本研制的本间发动机其原理是在直径不同的两传动轮上挂上sma传动带一侧通以温水使传动带收缩；另一侧通以冷水使其伸长于是传动轮转动。自然界中大量的低温热源都可通过sma发动机转换为有用的机械能或电能。

四、结语

随着科学技术的飞快发展，人们对形状记忆合金的研究逐渐深入，近年来，利用各种形状记忆合金生产的“记忆”商品开始风靡市场，越来越多的“记忆”商品进入人们的日常生活，形状记忆合金的应用正进一步迈向商品化。相信未来形状记忆合金在机械工程